JPH0831360B2 - 蓄積ビーム電流安定化制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体リソグラフィ用光源等に用いられ
るフルエネルギ入射方式のビーム蓄積リングおける蓄積
ビーム電流安定化制御方法に関する。

〔従来の技術〕 近年、紫外線に代わるリソグラフィ用光源及び医療Ｘ
線透視用光源としてシンクロトロン放射光の利用が期待
されている。これはシンクロトロン放射光が連続スペク
トルを持ち、且つその中に強力で指向性の強い軟Ｘ線を
含んでおり、このような軟Ｘ線がスループット及び解像
性の点からリソグラフィ技術のＸ線源として、又医療透
視検査用Ｘ線源として理想的であるからである。

第５図（ａ）（ｂ）は超高真空のリング（５）（50）
中でその軌道上を光速に近い速さで周回している電子が
偏向電磁石（51）によって偏向せしめられた時にシンク
ロトロン放射光を放射する放射光施設の概要を示してい
る。そのうち同図（ａ）は装置規模小型化が可能な主に
産業用光源として期待されている加速蓄積兼用リング
（50）の装置構成である。入射モードにおいて電子ライ
ナック等のビーム入射器（10）から低いエネルギ状態で
リング（50）内に入射されたビームは、該リング（50）
中で周回する間に加速されて高いエネルギ状態に達し、
又この周回中に放射されるシンクロトロン放射光は該エ
ネルギの上昇によって出力を上昇せしめることになる。

一方、同図（ｂ）に示されたものは、ビーム寿命が前
記リング構成のものより長いとして中・大規模の研究施
設用に建設されるフルエネルギ入射方式のリング構成か
らなる放射光施設である。この例では、ビーム入射器と
して電子ライナック（１）等の他、ビームの加速のみに
使用される電子シンクロトロン（３）等の加速リングが
使用されており、入射モードにおいて該加速リングでフ
ルエネルギ状態に加速されたビームは、次のビーム蓄積
リング（５）に入射されて、そのエネルギを保持したま
ま長時間該リング（５）中を周回し、その間にシンクロ
トロン放射光を長時間に亘って放射する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上の加速蓄積兼用リング（50）及び蓄積リング
（５）内を周回しているビームは、放射光を安定して得
る蓄積モード中に該リング（５）（50）内に発生した微
量ガスイオン等に衝突して失われ、このリング（５）
（50）内のビーム電流は次第に低下することになる。こ
の時シンクロトロン放射光出力は、該ビーム電流の低下
に伴って全波長域で急速に低下する。しかし、半導体リ
ソグラフィではレジスト面に一定の光量が必要とされ、
上述のような放射光出力の減少は必然的に出力減少分だ
け露光時間を増加させて、レジスト感度に対応した光量
を獲得できるようにしなければならず、実際の半導体露
光に使用された場合、スループット低下の原因となる。

そこで電流の減衰に伴い、あるビーム電流値になった
時に該蓄積モードから入射モードにモード変更し、ビー
ム入射器側からのビームの追加入射を行なってビーム電
流値を上げ、定常の蓄積モードに復帰させることもでき
る。

しかし前述の加速蓄積兼用リング（50）では、上記追
加入射時にリング中のビームエネルギを一旦入射エネル
ギレベルまで下げる必要があり、その過程でシンクロト
ロン放射光出力が弱くなるため、その間露光用には利用
できない問題を生ずる。

一方、後者のフルエネルギ入射方式のリング構成にお
けるこのような追加入射を行なうことの可能性について
は、電気学会電子デバイス研究会資料EDD−90−39,1990
に示された「Ｘ線リソグラフィ用ソルテック1GeV放射光
源」に報告された例があり、この場合はリング（５）中
のビームエネルギを一旦入射エネルギまで下げる必要は
ないものの、蓄積モードから入射モードへのモード変更
をオペレータの操作により行なっていたため、もともと
モード変更時の応答特性があまりよくないこととも相俟
って、タイムラグが発生し、第６図に示されるような鋸
刃状のビーム電流値の変動が生じてしまい、それによっ
て放射光の光量は10〜50％程度変動していた。またこの
ような鋸刃状のビーム電流値変動を生ずるのは、追加入
射時でも急峻な初期入射モード時の入射ビーム電流値で
入射を行っていたために生ずることが最大の原因であ
る。

このように追加入射を行なう場合でも現実にはシンク
ロトロン放射光出力の変動が大きく、このような施設を
Ｘ線リソグラフィに用いた場合にはスループットが低下
したり、露光条件が一定にならないためにプロセスの条
件出しが難しくなるという問題を生ずることになる。
又、このような放射光出力の変動は医療透視検査用のＸ
線源に該光源を用いようとする場合にも問題となる。

本発明は以上のような問題に鑑み創案されたもので、
シンクロトロン放射光を放射するリングにおける蓄積ビ
ーム電流を一定に安定化させることができる制御方法を
提供せんとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はまずリング中の蓄積ビーム電流の安定化のた
めに、該ビーム電流の減衰に応じてビーム入射器側から
の追加入射を行なう構成をその前提構成として採用する
ものであるが、前述のように加速蓄積兼用リングでの追
加入射では、リング中のビームエネルギをどうしても一
旦入射エネルギレベルまで下げる必要があるので、本発
明ではこのようなリング構成への適用は避け、フルエネ
ルギ入射方式のビーム蓄積リングにおけるビームの入射
制御に用いるものとした。

又、追加入射の際は、蓄積モードから入射モードへの
モード変更を行なっていたが、前述のように、このよう
なモード変更を行なうと、その応答特性の低さのために
タイムラグが生じてしまい、ビーム電流安定化のために
は好ましくない状態となるため、そのようなモード変更
を行なわずに追加入射が可能な方法につき検討を加え
た。

一方、短時間の間にゼロから所定の高いビーム電流値
まで立ち上げるために前記蓄積リングへのビーム入射が
高電流値且つ短期周期でなされる初期入射モードでは、
前記蓄積モードにおける追加入射の際のビーム入射と
は、入射ビーム電流値やトリガ信号周期等の制御パラメ
ータが全く異なるため、モード変更によって初期入射モ
ードから蓄積モードへの変更を行なった上で、上記追加
入射については蓄積モードにおいて、初期入射モード時
よりもビーム入射器系やリング中のビーム入射効率をわ
ざわざ下げて、所定の制御パラメータに基づき初期入射
モード時よりも低い入射ビーム電流値でのビーム入射を
行うこととした。

即ち本発明では、初期入射モードと蓄積モードのモー
ド変更を行う一連の制御プロセスを対象とするものであ
って、ビーム入射器を有するフルエネルギ入射方式のビ
ーム蓄積リングで、所定の入射ビーム電流値及びトリガ
信号タイミングでビーム入射が行われる初期入射モード
で、リング内のビーム電流値が基準値に略達した時に蓄
積モードへのモード変更を行うと共に、該蓄積モードで
は、前記ビーム電流値が予め設定された減衰値（該値は
後述のビーム電流値許容変動幅にちょうど相当する）分
だけ前記基準値より下がった時に、その減衰値より求め
られるところの初期入射モード時の入射ビーム電流値よ
り低い最適入射ビーム電流値を演算し、それに基づき前
記蓄積リングへの追加入射を行うことを特徴としてい
る。

上述した構成で基準値とは、上記ビーム蓄積リングか
ら放射されるシンクロトロン放射光の強度がＸ線露光や
Ｘ線透過に適した状態になり、且つ安定的に得られるよ
うになった時のビーム電流値をいい、本発明では蓄積モ
ードにおいてビーム電流値をこの基準値辺りに調整し、
長時間安定的に運転するようにその制御を行なうことに
なる。その際の追加入射時の最適入射ビーム電流値とし
て、ビーム電流値許容変動幅の1/2以下のビーム電流値
にすると良い。

又、この基準値I₀で入射されたビーム蓄積リングのｔ
（sec）後のビーム電流値Ｉは、 但し、τ：ビーム蓄積リングにおけるビームの寿命で
あるから、該式からビーム電流の減衰については次式が
成立し、 この式よりΔｔ後のビーム電流減衰分ΔＩは、 となる。従って理論的にはこの減衰分ΔＩを予め基準値
I₀からの減衰値分として逆に決定しておき、Δｔ毎にこ
の減衰値ΔＩ分を追加入射すれば、蓄積リング中のビー
ム電流は非常に狭い範囲（即ちビーム電流値許容変動
幅）の変動だけで長時間に亘って略一定に安定させるこ
とができるようになると考えられる。但し、本発明では
追加入射の周期を定めず、設定された減衰値分の減衰が
実際に検出された時に追加入射を行う構成とした。尚、
リング中のビーム電流値は該リングから放射されるシン
クロトロン放射光の出力からもわかるので、上記制御は
該放射光の出力を検知しながら行なうこともできる。

更に、初期入射モードにおける入射ビーム電流値の制
御及び蓄積モードの追加入射時における入射ビーム電流
値の制御は、主にビーム入射器系やビーム蓄積リングに
おけるビームの入射効率の調整により行なうもので、例
えば第１図に示されたフルエネルギ入射方式の放射光施
設における電子ライナック（１）では、クライストロン
の印加電圧の調整、同じくクライストロンのRF周波数調
整、ステアリングの磁場制御及びライナックからのビー
ムの出射タイミング制御等により行ない（マイクロトロ
ンからビームを取り出す場合も略同じような調整がなさ
れることになる）、又LBT（Low energy Beam Transfe
t）系（２）では、偏向電磁石（Bending Magnet）やス
テアリングの磁場制御及びワイヤグリッドの出し入れに
よる制御、電子シンクロトロン（３）では、インフレク
タ、パータベータ、デフレクタ及びキッカ等における電
圧調整やタイミング調整、ステアリングの磁場制御等、
更にHBT（High energy Beam Transfer）系（４）では、
BMやステアリングの磁場調整、加えてビーム蓄積リング
（５）では、インフレクタやパータベータにおける電圧
調整やタイミング調整により行なうことになる。これら
の調整により該蓄積リング（５）におけるビームの入射
効率は大きく左右される。本発明では前記初期入射モー
ドから蓄積モードへのモード変更がなされた時、該モー
ドでの追加入射の際のビームの入射効率が、初期入射モ
ード時よりも下げて制御されることがその特徴である
が、更にこの初期入射モード時にビーム電流値の上昇曲
線カーブから基準値に到る時点を予測して、モード変更
直前からビームの入射効率を緩やかに下げるようにして
も良い。

〔実施例〕

以下本発明の具体的実施例につき説明する。

第２図はフルエネルギ入射方式の放射光施設における
本願発明法の実施構成の概要を示している。同図におい
て（１）乃至（４）は電子ビームを加速するビーム入射
器系であり、そのうち（１）は電子ライナック、（２）
はLBT、（３）は電子シンクロトロン、（４）はHBTであ
る。又（５）は上記ビーム入射器系から加速された電子
ビームを入射しその中で周回せしめることで、シンクロ
トロン放射光をそこから得るビーム蓄積リングである。

本実施例では、ビーム蓄積リング（５）の周回軌道中
にその蓄積ビーム電流を検出するビーム電流モニタ
（６）が設置され、後述する制御計算器（７）にその検
出値が入力される。又ビーム入射器系及びビーム蓄積リ
ング（５）の各コンポーネントは、制御計算器（７）に
よってその稼動が制御されている。特にマスタオシレー
タ（8a）を備えたサイクル信号発生器（８）から発生す
る信号周期に基づき該制御計算器（７）からはトリガ信
号が出力され、それによってビーム入射用に前記ビーム
入射器系及びビーム蓄積リング（５）の稼動が制御され
る。又LBT（２）の第2BM（偏向電磁石）には、印加電流
を可変制御することでその磁場調整が行なえる磁場制御
手段が備えられ、前記制御計算器（７）によりその印加
電流の制御がなされることで、ビーム蓄積リング（５）
へのビーム入射効率を変更することができるようになっ
ている。

この制御計算器（７）により初期入射モードでは、3.
2秒に１回の周期で且つmA/1入射の割合で２分間に200mA
弱までビーム電流を蓄積した。前記電流モニタ（６）に
よるビーム電流の検出によりビーム電流値が200mAに達
する直前に制御計算器（７）は、前記LBT（２）の第2BM
の磁場調整を行なって2mA/1入射までその入射効率を下
げ、更に検出ビーム電流値が基準値である200mAに略達
した時点で制御計算器（７）は初期入射モードから蓄積
モードへモード変更を行なった。

該蓄積モードでは、周回するビーム電流は非常に安定
し、その周回中に発生するシンクロトロン放射光の出力
も略一定の状態に保たれるが、このビームの寿命を8hou
rとした場合、前記電流モニタ（６）で検出されるビー
ム電流値は、1.2分間に0.5mA、2.4分間に1mAの割合で減
衰している（放射光強度に換算すると1.2分間に0.25
％、2.4分間に0.5％の割合で減衰している）計算にな
る。そこでこの蓄積モードでは、前記制御計算器（７）
による稼動制御によりLBT（２）の第2BMに対する印加電
流制御を行ない、その磁場調整をなし、ビーム蓄積リン
グ（５）への入射効率を0.5mA/1入射に下げて追加入射
を行なった。この時、該制御計算器（７）は前記検出ビ
ーム電流値が基準値より0.5mA下がる毎にトリガ信号を
出力した。この時間間隔は前述の1.2分程度だった。
又、１回の追加入射で基準値に到達しない場合は２回以
降の入射を行なうが、この入射の最低時間間隔は初期入
射時の3.2秒より長い6.4秒とした。これは前記電流モニ
タ（６）及びデータの転送速度を考え、測定値が十分に
落ち着く時間を開けたことによる。一方、この追加入射
にもかかわらずビーム電流が基準値に到達しない場合
は、そのビーム電流値からもう一度入射電流値を算出
し、第2BMの電流値を再設定した。又、追加入射の最小
時間間隔も4.6秒と短くした。

第３図は本実施例の初期入射モード及び蓄積モードで
検出された略70分間に亘るビーム蓄積リング（５）のビ
ーム電流値の変動状態を示すグラフ図である。同図から
明らかなように、蓄積モードにモード変更されてから、
そのビーム電流値は200mA弱のところで安定し、しかも
最大値及び最小値の差も約2mAの範囲（これが本実施例
におけるビーム電流値許容変動幅である）であった。

又、第４図はLBT（２）の第2BMにおける印加電流制御
による電子シンクロトロン（３）中のビーム電流の変動
状態を示すグラフ図である。同図によれば、該第2BMの
印加電流が12.828Aである時に電子シンクロトロン
（３）のビーム電流値は22mAの最大値を示し、該印加電
流値から±0.015Aの変動があると、電子シンクロトロン
（３）のビーム電流値は2mA程度まで下がる。従って本
実施例のように制御計算器（７）によりLBT（２）の第2
BMの印加電流を制御すれば、結果的にビーム蓄積リング
（５）の入射効率の制御は非常に容易に行なえることに
なる。例えば電子シンクロトロンのビーム電流値を最大
（22mA）から10％程度下げようとするならば、LBT
（２）の第2BMの印加電流は12.828Aから0.00375A下げる
か、0.0025A強上げれば実現できることになる。このよ
うな制御が行われて、ビーム蓄積リング（５）では、0.
5mA/1入射の追加入射が行われることになるが、これは
前述のビーム電流値許容変動幅（約2mA）の1/2以下の値
に設定されたことになる。従ってLBT（２）の第2BMに限
らず、他のビーム入射器系コンポーネントやビーム蓄積
リングを構成する各コンポーネントにつき、このような
入射ビーム電流値制御を行なうためのパラメータをいく
つか制御計算器（７）中に用意しておけば、蓄積リング
（５）中のビーム電流の変動が不安定な場合でも、該制
御計算器（７）によって演算された最適ビーム電流値に
基づき一番適切なパラメータをその中から選択せしめる
ことで、これらのコンポーネントの稼動を制御し、上記
本発明の実施をすることもできる。

〔発明の効果〕

以上詳述した本発明の制御方法によれば、ビーム蓄積
リングにおける蓄積ビーム電流を一定に安定化させるこ
とができ、従って該リングより得られるシンクロトロン
放射光出力も長時間に亘って一定に保持することがで
き、そのためＸ線リソグラフィ用光源として該放射光を
用いた場合、スループットが上がり、且つ露光条件が一
定となってプロセスの条件出しも簡単になる。特に本発
明では前記蓄積リングを、最大ビーム電流値で動作させ
ることができるため、高スループットで高強度且つ一定
のシンクロトロン放射光を供給でき、従来の場合のよう
に電流値が下がり、放射光の利用ができなくなるといっ
たことがなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフルエネルギ入射方式の放射光施設の一例を示
す概略図、第２図は本願第２発明法が適用される実施例
のフルエネルギ入射方式の放射光施設の概要を示す斜視
図、第３図は本実施例の初期入射モード及び蓄積モード
で検出されたビーム蓄積リングのビーム電流値変動状態
を示すグラフ図、第４図はLBTの第2BMにおける印加電流
制御による電子シンクロトロン中のビーム電流値の変動
状態を示すグラフ図、第５図（ａ）は加速蓄積兼用リン
グの装置構成例を示す説明図、同図（ｂ）はフルエネル
ギ入射方式のリング構成例を示す説明図、第６図はフル
エネルギ入射方式のリング構成で追加入射のためモード
変更を行なった際のビーム電流値変動状態を示すグラフ
図である。 図中、（１）は電子ライナック、（２）はLBT、（３）
は電子シンクロトロン、（４）はHBT、（５）はビーム
蓄積リング、（６）はビーム電流モニタ、（７）は制御
計算器、（８）はサイクル信号発生器、（8a）はマスタ
オシレータを各示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビーム入射器を有するフルエネルギ入射方
   式のビーム蓄積リングで、所定の入射ビーム電流値及び
   トリガ信号タイミングでビーム入射が行われる初期入射
   モードで、リング内のビーム電流値が基準値に略達した
   時に蓄積モードへのモード変更を行うと共に、該蓄積モ
   ードでは、前記ビーム電流値が予め設定された減衰値分
   だけ前記基準値より下がった時に、その減衰値より求め
   られるところの初期入射モード時の入射ビーム電流値よ
   り低い最適入射ビーム電流値を演算し、それに基づき前
   記蓄積リングへの追加入射を行うことを特徴とする蓄積
   ビーム電流安定化制御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の蓄積ビーム電流安定化制御
   方法において、追加入射時の最適入射ビーム電流値とし
   て、ビーム電流値許容変動幅の1/2以下のビーム電流値
   とすることを特徴とする請求項１記載の蓄積ビーム電流
   安定化制御方法。
3. 【請求項３】請求項１乃至２記載の蓄積ビーム電流安定
   化制御方法において、ビーム入射器のビーム電流値及び
   ビーム入射効率の両方若しくはいずれか一方を、初期入
   射モード時より低下させることにより、初期入射モード
   時より低い最適入射ビーム電流値で追加入射することを
   特徴とする請求項１乃至２記載の蓄積ビーム電流安定化
   制御方法。